Qué es el almacenamiento flash y cómo funciona

El almacenamiento flash es un medio de almacenamiento de datos electrónico y no volátil que se borra y reprograma electrónicamente. Es la base de una variedad de productos de almacenamiento para diferentes casos de uso, factores de forma y requisitos de velocidad o rendimiento. La memoria flash es el fundamento de la tecnología moderna de consumo: se utiliza para almacenar fotos tomadas con cámaras digitales y se encuentra en teléfonos inteligentes, tabletas, consolas de juegos, así como en unidades de estado sólido utilizadas en computadoras.

¿Qué es el almacenamiento flash?

La memoria flash es un medio de almacenamiento de estado sólido desarrollado por Fujio Masuoka mientras trabajaba en Toshiba, alrededor de 1980. Masuoka demostró públicamente la invención por primera vez en 1987, y en 1988 Intel produjo el primer chip flash comercial.

La invención de Masuoka abarca dos tipos de memoria no volátil relacionada: NOR y NAND. La memoria NOR flash tarda más en escribir o borrar, pero proporciona acceso aleatorio a nivel de byte, lo que la convierte en un reemplazo adecuado para las chips de memoria de solo lectura (ROM). La memoria NAND flash ofrece tiempos de escritura y borrado más rápidos, así como capacidades de almacenamiento más densas. La memoria NAND flash se escribe y lee a nivel de bloque, lo que la hace inadecuada para casos de uso incrustados que requieren acceso a nivel de byte.

Por lo general, la memoria NOR flash se limita a aplicaciones críticas y casos de uso incrustados, como el firmware de una computadora o un dispositivo electrónico incrustado. Las tarjetas de memoria flash y las unidades de estado sólido (SSD) utilizan memoria NAND flash para almacenamiento masivo.

¿Cuales son las desventajas del almacenamiento flash?

El almacenamiento flash tiene una vida útil finita en términos de la cantidad de veces que se puede borrar y volver a escribir un bloque. A medida que la memoria NAND flash se vuelve más densa a través del uso de tecnología de celda de múltiples niveles, esta vida útil ha disminuido considerablemente.

Por ejemplo, el NAND SLC ofrece capacidades relativamente bajas, aunque puede soportar aproximadamente 100,000 escrituras/borrados por bloque. El NAND MLC (de dos bits) ofrece de 1,000 a 3,000 ciclos en aplicaciones de alta capacidad y de 5,000 a 10,000 ciclos en aplicaciones de capacidad media, mientras que el NAND TLC (de tres bits) ofrece aproximadamente 1,000 ciclos.

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La memoria NAND 3D ofrece ciclos de escritura/borrado más altos, con el NAND MLC 3D calificado entre 6,000 y 40,000 ciclos, el NAND TLC 3D calificado entre 1,000 y 3,000 ciclos y el NAND QLC 3D (de cuatro bits) calificado entre 100 y 1,000 ciclos.

Los fabricantes miden la vida útil de las SSD en términos de "total de bytes escritos" o TBW. Por ejemplo, una SSD Intel 660p de 2TB, que utiliza NAND QLC 3D, está calificada para 400TB. En contraste, una SSD Intel 760p de 2TB, que utiliza NAND TLC 3D, está calificada para 1152 TB.

En la práctica, no hay límite para la cantidad de veces que se puede leer un bloque.

¿En qué se diferencia el almacenamiento flash de una unidad de estado sólido (SSD)?

Las unidades de estado sólido (SSD) utilizan la tecnología de memoria NAND flash para almacenamiento masivo, aunque este no es el único componente utilizado en una SSD. Por lo general, las SSD están compuestas por un controlador de disco, una caché de DRAM y memoria flash NAND. El controlador de disco se utiliza para administrar el uso eficiente de NAND, como prevenir niveles de desgaste desiguales de las celdas flash, lo que extiende la vida útil de una unidad.

¿Qué formas de almacenamiento flash portátil existen?

Existen diferentes formas de tarjetas de almacenamiento flash para adaptarse a la variedad de dispositivos con los que se utilizan. Aunque la mayoría de los dispositivos de nivel de consumo ahora se centran en las tarjetas Secure Digital (SD), los dispositivos prosumidores y profesionales requieren velocidades más altas que las que las tarjetas SD pueden proporcionar fácilmente.

Secure Digital (SD)

Secure Digital (SD) es la tarjeta de memoria flash estándar de la industria; se introdujo en 1999 y se utiliza en prácticamente todas las categorías de dispositivos electrónicos para consumidores desde su inicio.

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El formato original, Secure Digital Standard Capacity (SDSC), se limitaba nominalmente a 2GB. En 2006, se introdujo el formato Secure Digital High Capacity (SDHC) para permitir tarjetas de hasta 32GB. El formato Secure Digital eXtended Capacity (SDXC) se introdujo en 2009 para permitir tarjetas de hasta 2TB. En junio de 2018, se introdujo el formato Secure Digital Ultra Capacity (SDUC) para permitir tarjetas de más de 2TB; la especificación admite tarjetas de hasta 128TB.

Actualmente, la tarjeta SD más grande disponible comercialmente es de 1TB.

CompactFlash (CF)

CompactFlash se introdujo en 1994 y está diseñado como un subconjunto de 50 pines del estándar PCMCIA de 68 pines. A pesar de la edad del estándar, todavía se utiliza en cámaras réflex digitales profesionales de Canon y Nikon.

La capacidad máxima actualmente disponible es de 512GB.

CFexpress

CFexpress, anunciado en septiembre de 2016, es el sucesor de CompactFlash. Se utiliza exclusivamente en cámaras profesionales de alta calidad. CFexpress se basa en la interfaz PCI Express 3.0 y aprovecha NVM Express para proporcionar baja latencia y procesamiento superior. Se presentaron tarjetas CFexpress de 1TB en CES 2019 y se espera que estén disponibles en canales minoristas este año.

Universal Flash Storage (UFS)

El estándar de tarjeta UFS se publicó en marzo de 2016 y tenía la intención de reemplazar las tarjetas microSD. Sin embargo, aunque el estándar se actualizó en enero de 2018, no hay tarjetas UFS disponibles comercialmente y, hasta marzo de 2019, no se comercializan dispositivos que admitan la interoperabilidad con el formato.

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Unidades flash USB

Las unidades flash USB engloban una amplia variedad de productos similares. En el extremo inferior, estas unidades suelen incluir un controlador simple para el nivelación del desgaste y la conectividad USB; las unidades flash USB de gama alta incluyen DRAM para el almacenamiento en caché de escritura. Por lo general, estas unidades están disponibles en el formato "gumstick", con el puerto USB conectado a la unidad, lo que las hace popularmente conocidas como USB sticks.

Las unidades flash USB más antiguas solían incluir un interruptor de protección de escritura. Esta característica se ha relegado al mercado especializado, aunque fabricantes como Kanguru producen unidades flash USB 3.0 con interruptores de protección de escritura.

Existen unidades con capacidades más grandes, como el SSD Samsung T5, que requiere el uso de un cable externo para conectarse a una computadora. El SSD Samsung T5 es técnicamente un SSD portátil conectado por USB que combina un SSD mSATA con un puente SATA a USB3 en un estuche resistente.

Formas de unidades heredadas

Las tarjetas SmartMedia fueron un formato de Toshiba lanzado en 1995 y se utilizaron en cámaras digitales y, en menor medida, en PDA y reproductores MP3. La tarjeta SmartMedia más grande era de 128MB y se produjo en variantes de 5V (antiguas) y 3.3V (nuevas). La industria de las cámaras digitales abandonó SmartMedia en 2003.

Se utilizaron tarjetas xD-Picture en cámaras digitales Fujifilm y Olympus de 2002 a 2009, con capacidades de 16MB a 2GB. Las tarjetas xD y SmartMedia son chips de memoria NAND sin un controlador de disco funcional.

Memory Stick fue un formato de memoria flash desarrollado por Sony en 1998. Aunque se concedieron licencias a otras compañías, Memory Stick se limitó principalmente a los productos electrónicos de Sony de 1998 a 2012. Sony fabricaba la mayoría de los productos Memory Stick, aunque el formato también fue producido por SanDisk y Lexar. Se introdujeron siete form factors de Memory Stick, con capacidades de 128MB a 32GB. El PlayStation Vita utilizaba un formato de Memory Stick propietario, producido únicamente por Sony. El PlayStation Vita fue descontinuado en marzo de 2019.

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¿Qué formas de unidades de estado sólido (SSD) existen?

En comparación con una unidad de disco duro tradicional, que requiere el uso de una cabeza de lectura/escritura que debe moverse por un plato para leer y escribir datos, el almacenamiento flash NAND no tiene partes móviles, lo que hace que las SSD sean unidades de estado sólido.

Unidades SATA de 2.5"

Las primeras SSD orientadas al consumidor generalmente tenían el formato de discos de 2.5", el mismo formato utilizado en PC de factor de forma pequeño (SFF) y computadoras portátiles, conectados a través de SATA. Debido a las limitaciones de SATA y AHCI, la velocidad máxima que una unidad conectada a SATA puede lograr es de aproximadamente 550 MB/s.

Las primeras unidades de 2.5" generalmente llenaban todo el espacio interno de 2.5" y utilizaban la altura estándar de 9.5 mm de las unidades tradicionales. Las nuevas unidades SATA, como la Crucial MX500, utilizan solo parte del espacio de 2.5" internamente y tienen una carcasa de 7 mm, con un espaciador incluido para su uso en dispositivos (generalmente, portátiles) que requieren llenar los 2.5 mm adicionales.

mSATA

Las computadoras portátiles y los PC de factor de forma pequeño a menudo se construyeron con soporte para tarjetas mSATA, que proporcionan la misma señalización que las unidades SATA de 2.5" en un paquete de 30 x 50.95 mm. Los fabricantes de computadoras abandonaron en gran medida el formato en 2015 en favor de las unidades M.2.

Samsung continuó admitiendo el formato hasta principios de 2018 con el 860 EVO, el último SSD de Samsung lanzado para este formato con capacidades de hasta 1TB.

M.2

M.2, anteriormente conocido como Next-Generation Form Factor (NGFF), es un formato versátil utilizado para SSD de alto rendimiento y otros periféricos, como tarjetas de redes Wi-Fi y Bluetooth, módems WWAN (4G LTE, 5G) y otros dispositivos. Las SSD M.2 pueden utilizar conexiones SATA heredadas o PCI Express con AHCI o NVMe.

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Las SSD M.2 tienen un ancho de 22 mm y están disponibles en longitudes de 30, 42, 60, 80 y 110 mm, siendo 42 y 80 mm las más comunes. Las capacidades se suelen denominar en el formato M.2-WWLL, como M.2-2280.

Actualmente, la SSD M.2-2280 de mayor capacidad es de 2TB.

U.2

U.2, anteriormente conocido como SFF-8639, es técnicamente una interfaz, básicamente proporciona el carril PCIe x4 de M.2 para la misma forma física que las unidades de disco SATA. En teoría, también sería posible utilizar la interfaz para unidades de 3.5".

Unidades PCIe

Existen SSD que se conectan directamente a los slots PCIe de las placas base, aunque el formato ha caído en desuso. A finales de 2010, las SSD de consumo general estaban limitadas por la velocidad comparativamente limitada otorgada por SATA, lo que llevó a la producción de las primeras unidades PCIe. Estas unidades utilizaban AHCI en lugar de NVMe, ofreciendo mayores velocidades de lectura/escritura potenciales pero no un rendimiento apreciablemente mejor en términos de I/O aleatorio.

Existen SSD PCIe orientadas a empresas, como la Intel SSD DC P3608, aunque esta unidad ha sido descontinuada. Intel continúa ofreciendo las tarjetas PCIe SSD 750 series de mediados de 2015, aunque estas son más lentas que las opciones más nuevas de M.2.

Disk-on-Module (DOM)

Las SSD DOM están destinadas a reemplazar las unidades de disco PATA utilizadas en equipos antiguos. La producción de HDD PATA se detuvo hace más de una década, y la dependencia continua de estos discos conlleva el riesgo de pérdida de datos. Las SSD DOM se conectan directamente a un puerto PATA, lo que permite eliminar los cables IDE que obstruyen el flujo de aire.

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¿Cómo puedo saber si una tarjeta de almacenamiento flash o una SSD es lo suficientemente rápida para mi caso de uso?

Estándares de interfaz de bus para tarjetas SD

El estándar de interfaz de bus determina cómo se conecta una tarjeta SD a un dispositivo host, lo que representa un rendimiento potencial máximo, pero no indica cómo funcionan las tarjetas individuales. Antes de la introducción de las clases de Ultra Alta Velocidad (UHS), las tarjetas SD estaban limitadas a 12.5 MB/s o 25 MB/s, aunque no existe una marca estándar para indicar la diferencia.

• UHS-I ofrece 50 MB/s en modo semidúplex o dúplex completo, o 104 MB/s en modo semidúplex.
• UHS-II ofrece 156 MB/s en modo dúplex completo o 312 MB/s en modo semidúplex.
• UHS-III ofrece 312 MB/s o 624 MB/s en modo dúplex completo. No tiene modo semidúplex.

SD Express (también marcado como SD-Express I) ofrece 985 MB/s como un carril PCIe 3.0 x1, con soporte para NVMe.

Según las especificaciones, las tarjetas UHS y SD Express deben ser compatibles con versiones anteriores, aunque la velocidad máxima posible está determinada por la clasificación del dispositivo host.

Clasificaciones de velocidad para tarjetas SD

Existen estándares superpuestos y contradictorios para tarjetas SD para diferentes casos de uso, lo que a menudo causa confusión al seleccionar una tarjeta SD. Esto es lo que significa cada una de las diferentes clasificaciones de velocidad en términos del mundo real.

Por lo general, es necesario tener una tarjeta Clase V6 para grabar videos en calidad 4K, mientras que se requiere una tarjeta Clase V30 para grabar en calidad 8K. Los requisitos varían según los dispositivos.

Clasificaciones de velocidad para SSD

Con el uso de cachés DRAM, es posible que las SSD, especialmente las SSD SATA, saturen el ancho de banda disponible del bus al que están conectadas. Estas clasificaciones de velocidad solo son útiles para lectura/escritura secuencial, ya que otros factores explicados en la sección anterior influyen en cómo las SSD manejan las operaciones en grandes cantidades de datos.

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¿Cómo puedo seleccionar el mejor almacenamiento flash para mi dispositivo?

En parte, esto es subjetivo. Si quieres llevar una colección de música codificada en formato FLAC en tu teléfono inteligente, una tarjeta más grande con velocidades de escritura más lentas será adecuada para tu caso de uso. Para ejecutar aplicaciones almacenadas en una tarjeta flash o utilizarla en una consola de juegos como la Nintendo Switch, una tarjeta de clasificación A2 teóricamente proporcionaría un rendimiento más alto.

Comprar una marca de renombre y genuina es importante. Para las tarjetas SD, los productos de marcas desconocidas o imitaciones vendidos por vendedores de dudosa reputación informan incorrectamente su capacidad. En la práctica, esto significa que una tarjeta que supuestamente tiene 128GB de almacenamiento puede tener solo 16GB de capacidad. Un dispositivo puede escribir más allá de esa capacidad de 16GB, pero los datos recién escritos se perderían o sobrescribirían datos existentes.

Para las SSD, considera la cantidad de escrituras necesarias para una tarea. Las SSD QLC ofrecen una capacidad de almacenamiento más alta pero solo pueden resistir un número limitado de escrituras. Las SSD PCIe siempre son de mayor rendimiento que las SSD SATA. Para escritorios, utiliza siempre una unidad M.2 o un puente M.2 a PCIe para tu SSD, si tienes conexiones PCIe disponibles. Para portátiles, los dispositivos con capacidades M.2 normalmente se envían con una unidad M.2 integrada, lo que limita las opciones de actualización.

Es posible comprar SSD con una capacidad de almacenamiento equivalente a la de las unidades de disco duro tradicionales basadas en platos, aunque el costo por gigabyte es significativamente mayor. En la actualidad, una SSD Seagate Nytro de 15.36TB cuesta más $6,000, mientras que un Seagate IronWolf Pro de 14TB cuesta $570. Este efecto se magnifica al construir matrices de almacenamiento empresarial. En muchos casos de uso, las matrices de almacenamiento completamente flash son ineficientes desde una perspectiva de costo, aunque las soluciones de almacenamiento jerárquico pueden agregar complejidad innecesaria.

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